DE19846926C2

DE19846926C2 - Method and device for regulating the ion current of an ion accelerator

Info

Publication number: DE19846926C2
Application number: DE1998146926
Authority: DE
Inventors: Robert Meyer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1998-10-12
Filing date: 1998-10-12
Publication date: 2000-08-31
Anticipated expiration: 2018-10-13
Also published as: DE19846926A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung des Ionenstroms eines Ionen beschleunigers, insbesondere für den Einsatz bei der Ionenimplantation.The invention relates to a method and Device for regulating the ion current of an ion accelerator, especially for use at the Ion implantation.

Die Technik der Ionenimplantation wird in der Werkstoff- und Halbleitertechnik eingesetzt, um die mechanischen, chemischen oder elektrischen Eigen schaften einer Materialoberfläche zu verändern. So zählt die Ionenimplantation auf dem Gebiet der Halb leiterfertigung zu den gebräuchlichen Verfahren zur Dotierung der Halbleiterkristalle.The technique of ion implantation is used in the Materials and semiconductor technology used to mechanical, chemical or electrical properties properties of a material surface. So counts ion implantation in the field of half production of ladders to the usual procedures for Doping of the semiconductor crystals.

Bei der Ionenimplantation werden Ionen aus Gasen oder Festkörpern erzeugt und durch eine Hochspannung beschleunigt, so daß sie mit sehr hoher Geschwindigkeit auf ein Werkstück bzw. eine Probe treffen und in dessen Oberfläche eindringen.Ion implantation turns ions into gases or solids and generated by high voltage accelerates so that it is at very high speed hit a workpiece or a sample and in it Penetrate surface.

Ein Ionenbeschleuniger besteht aus einer Ionen quelle, in der Ionen des gewünschten Dotierstoffes, z. B. Bor, Arsen, Phosphor, Silizium, etc., erzeugt werden. Dies erfolgt in der Regel durch Beschuß eines eingeleiteten Gases oder Dampfes (z. B. BF₃, AsH₃, PH₃, SiH₄ etc.) mit Elektronen, die von einer Glühkathode bzw. einem Filament (Heizdraht) emittiert werden und durch eine zwischen Filament und Quellengehäuse ange legte Spannung, der Ionisierungsspannung, vom Filament wegbeschleunigt werden. Die positiven Ionen werden durch eine negative Spannung aus der Quelle extrahiert, fokussiert, eventuell massensepariert und auf die Probe, beispielsweise eine Halbleiterscheibe, gelenkt. Hierbei wird entweder der Ionenstrahl mittels geeigne ter Ablenkeinheiten rasterartig über die Probe geführt oder die Probe im stehenden Ionenstrahl entsprechend bewegt (mechanischer Scan).An ion accelerator consists of an ion source in which ions of the desired dopant, e.g. B. boron, arsenic, phosphorus, silicon, etc., are generated. This is usually done by bombarding an introduced gas or vapor (e.g. BF ₃ , AsH ₃ , PH ₃ , SiH ₄ etc.) with electrons which are emitted by a hot cathode or a filament (heating wire) and by a voltage between the filament and the source housing, the ionization voltage, can be accelerated away from the filament. The positive ions are extracted from the source by a negative voltage, focused, possibly mass-separated and directed onto the sample, for example a semiconductor wafer. Here, either the ion beam is guided over the sample in a grid-like manner by means of suitable deflection units, or the sample is moved accordingly in the standing ion beam (mechanical scan).

Die wesentlichen Parameter für die Änderung der Eigenschaften des Werkstoffes sind neben der Art des Dotierstoffes die Dosis, d. h. die Anzahl der implan tierten Ionen pro Flächeneinheit, sowie die Homoge nität, also die gleichmäßige Verteilung der Fremdatome auf der gesamten bestrahlten bzw. überstrichenen Fläche.The main parameters for changing the Properties of the material are in addition to the type of Dopant the dose, d. H. the number of implan ions per unit area, as well as the homogeneity identity, i.e. the even distribution of the foreign atoms on the entire irradiated or swept Area.

Es ist daher notwendig, den Ionenstrom während der Bearbeitung der Probe konstant zu halten, damit die Dosis in Abhängigkeit von der Zeit möglichst exakt vor ausberechnet und möglichst homogen auf der Probe ver teilt werden kann.It is therefore necessary to keep the ion current flowing during the Processing of the sample to keep constant, so that Dose as precisely as possible depending on the time calculated and ver as homogeneous as possible on the sample can be shared.

Die Bestimmung der Dosis erfolgt hierbei in der Regel durch Messung des Stromes an der Probe oder eines entsprechenden Wertes. Eine Integration des Stromes über die Zeit ergibt dann die eingebrachte Ladung und die daraus resultierende implantierte Gesamtdosis.The dose is determined in the Usually by measuring the current on the sample or one corresponding value. An integration of the stream over time then the charge and the resulting implanted total dose.

Insbesondere äußere Einflüsse können eine Änderung des Ionenstroms während der Ionenimplantation verur sachen. Diese Einflüsse sind sehr vielfältig und können vor allem unterschiedliche Änderungsgeschwindigkeiten aufweisen. So sind Änderungen durch thermische Ein flüsse in der Regel sehr langsam, wogegen Druckänderun gen oder Hochspannungsabweichungen eine sehr schnelle Änderung des Ionenstroms hervorrufen können.External influences in particular can change of the ion current during the ion implantation stuff. These influences are very diverse and can especially different rates of change exhibit. So are changes due to thermal on usually flow very slowly, whereas pressure changes conditions or high voltage deviations a very quick one Change in the ion current can cause.

Die Folge dieser Änderungen des Ionenstroms ist eine Störung der Homogenität der implantierten oder aufgebrachten Dosis.The consequence of these changes in ion current is a disorder of the homogeneity of the implanted or applied dose.

Im Stand der Technik sind bereits verschiedene Lösungsansätze bekannt, um auch unter Einwirkung dieser äußeren Einflüsse eine gute Homogenität der Dosis über der Probenoberfläche zu erreichen.Various are already in the prior art Approaches known to also work under the influence of this external influences a good homogeneity of the dose to reach the sample surface.

Eine Möglichkeit besteht darin, den Ionenstrom während der Implantation zu messen und die Geschwindig keit des Scans der jeweiligen Höhe des Ionenstroms an zupassen. Erhöht sich der Ionenstrom, wird die Scan geschwindigkeit erhöht, im umgekehrten Fall erniedrigt.One way is the ion current to measure during implantation and the speed of the current ion current level to fit. If the ion current increases, the scan speed increased, in the opposite case decreased.

Dieses Verfahren zeigt jedoch vor allem bei Anla gen mit mechanischem Scan keine zufriedenstellenden Ergebnisse, da gerade schnelle Änderungen des Ionen stroms aufgrund der Trägheit der Mechanik nicht ausge glichen werden können. Zudem kann eine derartige Rege lung nur in einem relativ engen Bereich arbeiten.However, this process is particularly evident in Anla not satisfactory with mechanical scanning Results because just rapid changes in ions currents due to the inertia of the mechanics can be compared. In addition, such a rain only work in a relatively narrow area.

Bei einer weiteren Möglichkeit wird der Quellen strom, d. h. der gesamte in der Quelle erzeugte Ionen strom, durch Regelung des Filamentstromes konstant ge halten. Der Filamentstrom (oder Extraktionsstrom) ist der durch den Heizdraht (Filament) bzw. die Glühkathode fließende Strom. Dieser Strom bestimmt die Menge an Elektronen, die aus dem Heizdraht austreten und zur Ionisierung von Teilchen zur Verfügung stehen.Another option is the sources current, d. H. all of the ions generated in the source current, constant by regulating the filament flow hold. The filament stream (or extraction stream) is through the heating wire (filament) or the hot cathode flowing current. This current determines the amount of Electrons emerging from the heating wire and to Ionization of particles are available.

Die Anzahl der Elektronen ist von der Temperatur des Heizdrahtes abhängig, so daß diese Art der Regelung von Natur aus träge arbeitet. Der Vorteil besteht vor allem in dem großen Regelbereich, der mit dieser Rege lung abgedeckt werden kann.The number of electrons is by temperature of the heating wire dependent, so this type of regulation works naturally sluggishly. The advantage is there especially in the large control range with this brisk lung can be covered.

Einflüsse, die außerhalb der Quelle auf den Ionen strom wirken, beispielsweise durch Drift eines Magneten bei einer im weiteren Strahlenverlauf durchgeführten Massenseparation oder durch Druckänderungen im Proben bereich, werden bei dieser Art der Regelung jedoch nur dann erfaßt, wenn als Regelgröße der Probenstrom, d. h. der Teil des Ionenstroms, der tatsächlich auf die Probe trifft, und nicht der Quellenstrom verwendet wird.Influences outside the source on the ions act current, for example by drifting a magnet with one carried out in the further beam path Mass separation or due to pressure changes in the sample area, but only with this type of regulation then detected when the sample stream, d. H. the part of the ion current that is actually on the sample hits, and not the source current is used.

Ein weiteres Verfahren zur Verbesserung der Homo genität der Implantation, das zum Teil in Verbindung mit den oben angeführten Verfahren durchgeführt wird, besteht im mehrfachen Überstreichen der Probenober fläche mit dem Ionenstrahl. Dadurch kann im Mittel eine gleichmäßige Bestrahlung jedes Oberflächenabschnittes erreicht werden.Another method to improve homo implantation, which is partly connected is carried out using the methods listed above, consists of painting over the top of the sample several times area with the ion beam. As a result, an average uniform irradiation of each surface section can be achieved.

Dieses Verfahren nimmt jedoch ein Vielfaches der Zeit in Anspruch, in der eine Implantation mit ein fachem Scan durchgeführt werden kann.However, this procedure takes a multiple of that Time to complete an implantation fold scan can be performed.

Aus der US 5,097,179 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff der geltenden Patentansprüche 1 und 7 bekannt. Bei diesem Verfahren erfolgt eine Regelung des Ionenstroms durch eine Anpassung der Ionisierungsspannung und/oder des Filamentstroms. Aufgrund eines fehlenden proportionalen Zusammenhangs zwischen der Höhe der Ionisierungs spannung und dem erzeugten Ionenstrom läßt sich mit diesem Verfahren jedoch keine für die vorliegenden Anforderungen ausreichend schnelle und exakte Regelung des Ionenstroms erreichen. Eine Regelung des Ionen stroms über den Filamentstrom weist die oben bereits dargelegten Nachteile auf.US Pat. No. 5,097,179 describes a method and a method Device according to the preamble of the applicable Claims 1 and 7 known. With this procedure the ion current is regulated by a Adjustment of the ionization voltage and / or the Filament stream. Due to a lack of proportional Relationship between the level of ionization voltage and the generated ion current can be with However, this method does not apply to the present Requirements sufficiently quick and precise regulation of the ion current. A regulation of the ions current above the filament flow already shows the above disadvantages set out.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver fahren und eine Vorrichtung zur schnellen und exakten Regelung des Ionenstroms eines Ionenbeschleunigers anzugeben, mit denen unabhängig von Störeinflüssen ohne zusätzlichen Zeitaufwand eine sehr gute Homogenität der Implantationsdosis auf einer Probe erzeugt werden kann.The invention has for its object a Ver drive and a device for fast and accurate Regulation of the ion current of an ion accelerator specify with which regardless of interference without additional time expenditure a very good homogeneity of the Implantation dose can be generated on a sample.

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 und der Vorrichtung gemäß Anspruch 7 gelöst. Vorteil hafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrich tung sind Gegenstand der Unteransprüche.The task is accomplished with the method according to claim 1 and the device according to claim 7 solved. Advantage firm designs of the procedure and the device are subject of the subclaims.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird während des Betriebs ständig eine dem Ionenstrom an der Probe entsprechende Größe zum Erhalt eines Istwertes des Ionenstroms bzw. dieser Größe gemessen. Der Istwert wird mit einem vorgebbaren Sollwert des Ionenstroms bzw. der dem Ionenstrom entsprechenden Größe ver glichen. Das Vergleichsergebnis wird zur Regelung des Ionenstroms auf den Sollwert verwendet, indem die Ioni sierungsspannung zwischen einem voreingestellten Wert und einem Minimalwert, bei dem im wesentlichen keine Ionisierung mehr erfolgt, moduliert wird. Der voreinge stellte Wert ist der Wert, bei dem die Anlage im Nor malfall, d. h. ohne zusätzliche Regelung, betrieben wird, um einen maximalen Ionenstrom zu erzeugen. Der Minimalwert liegt vorzugsweise bei einer Spannung von 0 V. Es sind jedoch auch kleine Spannungswerte < 0 V möglich, bei denen jedoch im wesentlichen keine Ioni sierung erfolgen darf. Durch Veränderung des Tastver hältnisses der Modulation, d. h. des Verhältnisses der Zeitdauern, während der der voreingestellte Wert und der Minimalwert der Ionisierungsspannung anliegen, in Ab hängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs kann eine Rege lung des Ionenstroms erreicht werden. Die Frequenz der modulierten Spannung sollte dabei möglichst hoch sein, muß aber das sichere Zünden der Quelle gewährleisten.In the method according to the invention, during the operation of the ion current on the sample appropriate size for obtaining an actual value of the Ion current or this size measured. The actual value with a predefinable target value of the ion current or the size corresponding to the ion current like. The comparison result is used to regulate the Ion current to the set point used by the Ioni voltage between a preset value and a minimum value at which there is essentially none Ionization takes place more, is modulated. The first one set value is the value at which the system in Nor malfall, d. H. operated without additional regulation to generate a maximum ion current. The The minimum value is preferably at a voltage of 0 V. However, there are also small voltage values <0 V possible, but with essentially no ioni sation may take place. By changing the Tastver ratio of modulation, d. H. the ratio of Time periods during which the preset value and the Minimum value of the ionization voltage is present, in Ab Depending on the result of the comparison, a rule ion current can be achieved. The frequency of the modulated voltage should be as high as possible, but must ensure the safe ignition of the source.

Erfindungsgemäß wurde hierbei erkannt, daß trotz des fehlenden proportionalen Zusammenhangs zwischen der Höhe der Ionisierungsspannung und dem erzeugten Ionen strom eine Regelung des Ionenstroms über die Ionisie rungsspannung möglich ist, indem diese zwischen einem festen Wert und einem Minimalwert, bei dem keine Ioni sierung auftritt, vorzugsweise durch An- und Abschalten der Ionisierungsspannung moduliert wird.According to the invention, it was recognized that despite the lack of a proportional relationship between the Amount of the ionization voltage and the generated ions current regulation of the ion current via the ionization voltage is possible by this between a fixed value and a minimum value at which no ioni sation occurs, preferably by switching on and off the ionization voltage is modulated.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Meßeinrichtung zur Erfassung des Istwertes und eine Regeleinrichtung auf, die den Istwert mit einem vorgeb baren Sollwert vergleicht und die Ionenquelle zur Er reichung des Sollwertes ansteuert. Die Regeleinrichtung umfaßt eine Modulationseinrichtung, die die Ionisie rungsspannung in Abhängigkeit vom Ergebnis des Ver gleichs zwischen Istwert und Sollwert zwischen einem voreingestellten Wert und einem Minimalwert, bei dem im wesentlichen keine Ionisierung mehr erfolgt, moduliert. Diese Modulationseinrichtung wird durch ein Schalt element und einen Pulsbreitenmodulator zur Erzeugung eines pulsbreitenmodulierten Signals realisiert. Das Schaltelement unterbricht in Abhängigkeit von den durch das Tastverhältnis des pulsbreitenmodulierten Signals vorgegebenen Zeitdauern das Anlegen der Ionisierungs spannung. Das Tastverhältnis des pulsbreitenmodulierten Signals wiederum wird in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Soll- und Istwert verändert.The device according to the invention has a Measuring device for recording the actual value and a Control device on that the actual value with a predetermined compares the target value and the ion source to the Er control of the setpoint. The control device includes a modulation device that the ionization voltage depending on the result of the ver between the actual value and the setpoint between one preset value and a minimum value at which essentially no more ionization takes place, modulated. This modulation device is switched on element and a pulse width modulator for generation a pulse width modulated signal. The Switching element interrupts depending on the the pulse duty factor of the pulse width modulated signal given time periods the creation of the ionization tension. The pulse duty factor of the pulse width modulated The signal in turn is dependent on the difference changed between setpoint and actual value.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungs gemäße Vorrichtung ermöglichen in vorteilhafter Weise eine sehr schnelle und exakte Regelung des Proben stroms, mit der gerade schnelle Störeinflüsse gut aus geglichen werden können.The inventive method and the Invention allow appropriate device in an advantageous manner a very quick and exact regulation of the samples currents with which fast interference is particularly good can be compared.

Mit dieser Regelung kann der Probenstrom während der Bearbeitung der Probe ständig konstant gehalten werden, so daß eine sehr gute Homogenität sowie eine exakte Einhaltung der vorberechneten Dosis erreicht werden. Es ist deshalb nicht mehr notwendig, die Probe mehrmals mit dem Ionenstrahl zu überstreichen um gute Homogenitätswerte zu erreichen.With this regulation the sample flow can be during the processing of the sample kept constant be, so that a very good homogeneity and a exact adherence to the pre-calculated dose become. It is therefore no longer necessary to take the sample over the ion beam several times to get good ones To achieve homogeneity values.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungs gemäße Vorrichtung bewirken daher vor allem bei Anlagen mit mechanischem Scan eine enorme Zeitersparnis.The inventive method and the Invention appropriate device therefore cause especially in systems with mechanical scan an enormous time saving.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erfolgt eine zweistufige Regelung des Probenstroms. Hierbei wird die erfindungsgemäße Rege lung der Ionisierung in Verbindung mit der bekannten Regelung des Filamentstroms eingesetzt. Dadurch können Störeinflüsse unabhängig von ihrer Größe und Geschwin digkeit in einem sehr großen Regelbereich zufrieden stellend ausgeglichen werden.In a particularly advantageous embodiment the invention is a two-stage control of Sample stream. Here, the rain according to the invention ionization in conjunction with the known Filament flow control used. This allows Interference regardless of size and speed satisfaction in a very wide control range be balanced.

Bei dieser besonders vorteilhaften Ausführungs form, die in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, er folgt, wie bei allen Ausführungsformen der Erfindung, eine ständige Erfassung der Regelgröße. Dies geschieht beispielsweise über eine Messung des Probenstroms direkt an der Probe (bei elektrisch leitenden Proben) oder über die Messung eines definierten Anteils des Probenstroms (z. B. mit Faraday-Sensoren).In this particularly advantageous embodiment, which is shown in FIGS. 2 and 3, it follows, as in all embodiments of the invention, a constant detection of the controlled variable. This is done, for example, by measuring the sample stream directly on the sample (in the case of electrically conductive samples) or by measuring a defined proportion of the sample stream (e.g. with Faraday sensors).

Ein in mehreren Meßbereichen einstellbarer Meßver stärker (20) wandelt diesen Meßwert in eine Größe (z. B. eine Spannung von 0-10 V) um, die von der Regelein heit verarbeitet werden kann. Das Ausgangssignal des Meßverstärkers wird der Regeleinheit zugeführt, die sich im vorliegenden Beispiel aus einer Regelung I (21) für die Ionisierung und einer Regelung II (22) für den Filamentstrom zusammensetzt.An adjustable measuring amplifier in several measuring ranges ( 20 ) converts this measured value into a quantity (e.g. a voltage of 0-10 V) which can be processed by the control unit. The output signal of the measuring amplifier is fed to the control unit, which in the present example is composed of a control I ( 21 ) for the ionization and a control II ( 22 ) for the filament flow.

In der Regeleinheit wird der gemessene Istwert des Probenstroms mit einem voreingestellten Sollwert ver glichen, und die Differenz dieser Werte (durch Filte rung von Spannungsspitzen mit einem RC-Glied) zu einer Steuerspannung integriert. Der Sollwert wird über eine Eingabeeinheit (23) eingegeben.In the control unit, the measured actual value of the sample current is compared with a preset setpoint, and the difference between these values (by filtering voltage peaks with an RC element) is integrated into a control voltage. The setpoint is entered via an input unit ( 23 ).

Nähert sich die Steuerspannung einem ihrer vorgeb baren Grenzwerte, so setzt die Filamentstromregelung (22) ein, die das Netzteil (15) für das Filament an steuert. Diese regelt nach dem bekannten oben beschrie benen Prinzip die Elektronenerzeugung durch das Fila ment und verhindert, daß die nachfolgend beschriebene Ionisierungsregelung in ihren Grenzbereichen arbeitet.If the control voltage approaches one of its predefinable limit values, the filament current control ( 22 ) is used, which controls the power supply ( 15 ) for the filament. This regulates the generation of electrons by the fila element according to the known principle described above and prevents the ionization control described below from operating within its limits.

In Abhängigkeit von der Steuerspannung liefert ein Pulsbreitenmodulator (PBM) (24) ein PBM-Ausgangssignal. Das digitale Ausgangssignal wird vorzugsweise über eine Lichtleiterstrecke zum Netzteil (16) für die Ionisie rungsspannung weitergeleitet, das sich naturgemäß auf einem anderen Hochspannungspotential als die Probe befindet.Depending on the control voltage, a pulse width modulator (PBM) ( 24 ) delivers a PBM output signal. The digital output signal is preferably forwarded via an optical fiber link to the power supply ( 16 ) for the ionization voltage, which is naturally at a different high-voltage potential than the sample.

Am Netzteil (16) für die Ionisierungsspannung schaltet ein Leistungsschaltgerät (25) die Ionisie rungsspannung im Takt des PBM-Signals sehr schnell ein und aus. Die voreingestellte Höhe der Ionisierungsspan nung wird hierbei nicht verändert. Eine Veränderung dieser Höhe würde vielmehr eine Regelung unmöglich machen, da kein nachvollziehbarer Zusammenhang zwischen der Höhe der Ionisierungsspannung und der Stärke des Ionenstroms besteht.On the power supply unit ( 16 ) for the ionization voltage, a power switching device ( 25 ) switches the ionization voltage on and off very quickly in time with the PBM signal. The preset level of the ionization voltage is not changed. A change in this level would rather make regulation impossible, since there is no understandable connection between the level of the ionization voltage and the strength of the ion current.

Auf diese Weise wird durch das Impuls-Pausen-Ver hältnis (Tastverhältnis) des PBM-Signals bestimmt, wie viele Ionen in einem bestimmten Zeitintervall erzeugt werden. Durch die Abhängigkeit des Tastverhältnisses vom Probenstrom entsteht eine Regelschleife, die sehr schnell auf Störgrößen reagieren kann.In this way, the impulse-pause ver Ratio (duty cycle) of the PBM signal determines how many ions are generated in a certain time interval become. Due to the dependence of the duty cycle a control loop arises from the sample stream, which is very can react quickly to disturbances.

Da die Frequenz des PBM-Modulators vorzugsweise um mindestens den Faktor 10⁴ höher als die Scanfrequenz (d. h. im kHz-Bereich) ist, bewegt sich die Probe rela tiv zum Strahl innerhalb einer Periode des PBM-Signals nur so wenig, daß durch das Strahlprofil auftretende Inhomogenitäten vernachlässigbar gering sind. Zudem wird das annähernd rechteckige PBM-Signal der Regelung durch die Trägheit des Ionisierungsvorganges und andere kapazitive Einflüsse weitgehend verschliffen.Since the frequency of the PBM modulator is preferably at least a factor of 10 ⁴ higher than the scan frequency (ie in the kHz range), the sample moves relative to the beam within a period of the PBM signal only so little that the beam profile occurring inhomogeneities are negligible. In addition, the almost rectangular PBM signal of the control is largely smoothed out by the inertia of the ionization process and other capacitive influences.

Die Regelung arbeitet, abhängig von der Glättung der Steuerspannung und der Frequenz des PBM-Modulators, sehr schnell und präzise und neigt nicht zum Einschwin gen.The control works depending on the smoothing the control voltage and the frequency of the PBM modulator, very fast and precise and does not tend to settle gene.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Aus führungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigenThe invention is based on an off example in connection with the drawings explained in more detail. Show here

Fig. 1 ein Beispiel für den Aufbau eines Ionen beschleunigers; FIG. 1 shows an example of the structure of an ion accelerator;

Fig. 2 im Blockschaltbild ein Beispiel einer Ausfüh rungsform der Erfindung mit einer zweistufigen Ionenstromregelung; und Fig. 2 is a block diagram showing an example of an embodiment of the invention with a two-stage ion current control; and

Fig. 3 den Wirkungsplan der zweistufigen Regelung der Fig. 2. Fig. 3 shows the functional diagram of the two-stage system of FIG. 2.

Ein Beispiel für den Aufbau eines Ionenbeschleuni gers ist in Fig. 1 dargestellt. Der Ionenbeschleuniger weist eine Ionenquelle (1) zur Erzeugung eines Ionen strahls (5) auf. Der Ionenstrahl wird über eine Beschleunigungsstrecke (2) auf eine in einer Kammer (3) angeordnete Probe (4) gerichtet. Die Ionenquelle besteht aus einem von einem Netzteil (15) gespeisten Filament (6), aus dem bei Stromfluß Elektronen austre ten. Die Elektronen werden durch eine über das Netzteil (16) zwischen Filament (6) und Quellengehäuse (7) ange legte Ionisierungsspannung beschleunigt und erzeugen durch Stöße mit den in der Quelle befindlichen Gasmole külen die gewünschten Ionen. In der Quelle sind weiter hin ein durch den Ofen (9) beheizter Tiegel (8) zur Verdampfung fester Stoffe, aus denen Ionen gewonnen werden sollen, ein Magnet (10) mit zugehöriger Span nungsversorgung (11) zur Verlängerung der Aufenthalts dauer der Elektronen in der Quelle und damit Erhöhung der Wahrscheinlichkeit des Zusammenstoßes mit Gas atomen, sowie die Suppressionselektroden (12) mit zuge höriger Spannungsquelle (13) zur Eindämmung der aus tretenden Röntgenstrahlung dargestellt. Eine an das Gehäuse der Ionenquelle (1) angelegte Hochspannung (14) dient der Beschleunigung der Ionen und damit der Bildung des Ionenstrahls. Der Ionenstrahl durchläuft schließlich ein durch den von der Stromquelle (18) gespeisten Magneten (17) erzeugtes Magnetfeld, das zur Massenseparation dient, und wird durch die angelegte Hochspannung (19) noch weiter beschleunigt.An example of the structure of an ion accelerator is shown in FIG. 1. The ion accelerator has an ion source ( 1 ) for generating an ion beam ( 5 ). The ion beam is directed over an acceleration path ( 2 ) onto a sample ( 4 ) arranged in a chamber ( 3 ). The ion source consists of a filament ( 6 ) fed by a power supply unit ( 15 ), from which electrons emerge when the current flows. The electrons are accelerated by an ionization voltage applied via a power supply unit ( 16 ) between filament ( 6 ) and source housing ( 7 ) and generate the desired ions by collisions with the gas moles in the source. In the source are further a crucible ( 8 ) heated by the furnace ( 9 ) for the evaporation of solid substances from which ions are to be obtained, a magnet ( 10 ) with associated voltage supply ( 11 ) to extend the length of time the electrons stay in the source and thus increase the likelihood of collision with gas atoms, and the suppression electrodes ( 12 ) with associated voltage source ( 13 ) to contain the X-rays emerging. A high voltage ( 14 ) applied to the housing of the ion source ( 1 ) serves to accelerate the ions and thus to form the ion beam. The ion beam finally passes through a magnetic field generated by the magnet ( 17 ) fed by the current source ( 18 ), which serves for mass separation, and is accelerated even further by the high voltage ( 19 ) applied.

In den Fig. 2 und 3 sind ein Blockschaltbild sowie ein Wirkungsplan der weiter oben erläuterten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich auf eine mögliche nähere Ausgestaltung dieser Aus führungsform.In FIGS. 2 and 3, a block diagram and a functional diagram of the above-explained preferred embodiment of the present invention are shown. The following explanations relate to a possible more detailed embodiment of this embodiment.

Da es sich bei der erfindungsgemäßen Regelung um eine Abwärtsregelung handelt, muß die Anlage beim Start der Bearbeitung zunächst auf einen Probenstromwert, der höher als der Sollwert liegt, hochgefahren werden.Since the regulation according to the invention is a downward regulation, the system must start processing to a sample stream value that higher than the setpoint.

Dazu kann die Ionisierungsspannung manuell eingeschal tet werden. Nach dem Umschalten auf Automatik setzt die zweistufige Regelung ein und regelt den Ionenstrom auf den Sollwert ein.The ionization voltage can be switched on manually be tested. After switching to automatic, the two-stage control and regulates the ion current the setpoint.

Das direkt an der Probe gemessene Meßsignal wird dem Meßverstärker (20) zugeführt, der in diesem Beispiel in mehreren Stufen eingestellt werden kann, so daß seine max. Ausgangsspannung (0-10 V) einem Pro benstrom von 10, 100, 1000, 10000 µA entspricht.The measuring signal measured directly on the sample is fed to the measuring amplifier ( 20 ), which in this example can be set in several stages, so that its max. Output voltage (0-10 V) corresponds to a sample current of 10, 100, 1000, 10000 µA.

Das Ausgangssignal kann dadurch auch zusätzlich zur Integration in einem Dosisintegrator (26) zur Bestimmung des Gesamtdosis-Wertes verwendet werden.As a result, the output signal can also be used for integration in a dose integrator ( 26 ) to determine the total dose value.

Der Sollwert wird beispielsweise durch ein linea res 10-Wendel-Potentiometer als Eingabeeinheit (23) erzeugt und liegt ebenfalls im Bereich von 0-10 V.The setpoint is generated, for example, by a linear 10-turn potentiometer as an input unit ( 23 ) and is also in the range of 0-10 V.

Um die Funktion der Regelung überwachen zu können, zeigen Voltmeter den Sollwert, die Ausgangsspannung des Meßverstärkers und die Steuerspannung an.In order to be able to monitor the function of the control, voltmeter show the setpoint, the output voltage of the Measuring amplifier and the control voltage.

Die Regelschaltung kann mit einer einfachen Opera tionsverstärkerschaltung aufgebaut werden und funktio niert nach dem oben beschriebenen Prinzip. Das Schalt element (25) kann beispielsweise durch einen leistungs starken MOS-FET realisiert werden. The control circuit can be constructed with a simple operational amplifier circuit and works according to the principle described above. The switching element ( 25 ) can be implemented, for example, by a powerful MOS-FET.

Sinnvolle Grenzwerte für das Einsetzen der Extraktions- bzw. Filamentnachregelung sind Tast verhältnisse von < 0,2 bzw. < 0,8.Useful limits for the use of Extraction or filament readjustment are key ratios of <0.2 or <0.8.

Als zusätzliche Sicherheit kann eine Schaltung (27) eingebaut werden, die bei einem Entladungsüber schlag in der Quelle, und einem daraus resultierenden hohen Ionisierungsstrom, das Filament deutlich zurück fährt, so den Überschlag beseitigt und eine erneute Einregelung des Probenstroms ermöglicht.As an additional safety feature, a circuit ( 27 ) can be installed which, in the event of a discharge flashover in the source, and a resulting high ionization current, significantly lowers the filament, thus eliminating the flashover and allowing the sample current to be readjusted.

Die erfindungsgemäße Regelung arbeitet sehr schnell (< 0,3 ms/1% Störgröße) und exakt (Fehler < 0,1% des Maximalwerts).The regulation according to the invention works very well fast (<0.3 ms / 1% disturbance variable) and exact (error <0.1% of the maximum value).

In der bevorzugten Ausführungsform mit der Fila mentnachregelung wird eine zweistufige Regelung einge setzt. Dadurch kann ein sehr großer Regelbereich abge deckt werden. Die grobe und träge Regelung des Fila mentstroms wird durch eine schnelle, feine Regelung der Ionisierung überlagert.In the preferred embodiment with the Fila a two-stage control is set puts. This allows a very large control range be covered. The rough and sluggish regulation of the Fila ment current is controlled by a fast, fine control of the Ionization superimposed.

Die Regelung ist weitgehend unabhängig von Art und Geschwindigkeit von Störgrößen und von Art und Geschwindigkeit des Scans. Eine ausgezeichnete Homo genität kann bei nur einem Scan erreicht werden, so daß gegenüber Verfahren mit Vielfachscans eine enorme Zeit ersparnis resultiert.The scheme is largely independent of type and Speed of disturbances and type and Scanning speed. An excellent homo Genicity can be achieved with just one scan, so that an enormous amount of time compared to processes with multiple scans savings result.

Claims

1. A method for regulating the ion current of an ion accelerator which has an ion source ( 1 ) with a first device ( 15 ) for generating a filament current and a second device ( 16 ) for generating an ionization voltage, with the following steps:

- Measurement of a quantity corresponding to the ion current to obtain an actual value;
- Comparison of the actual value with a predetermined target value of the size corresponding to the ion current; and
- Regulation of the ion current to the setpoint by modulating the ionization voltage;

characterized in that the modulation of the ionization voltage is effected by driving the second device ( 16 ) with a pulse-width-modulated signal, the pulse duty factor of which varies depending on the difference between the setpoint and actual value, the ionization voltage with this pulse duty factor between a preset value and a minimum value, in which essentially no more ionization takes place, is modulated.

2. The method according to claim 1, characterized, that when a predetermined limit is reached a difference between the setpoint and the Actual value additionally the amount of the filament flow to the Reaching the setpoint is regulated.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized, that when predetermined limit values are reached, a internal control voltage or the duty cycle of the pulse width modulated signal additionally Amount of filament flow to achieve the target value is regulated.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized, that the modulation of the ionization voltage by repeated switching on and off of the ionization voltage or by repeatedly interrupting the Ionization voltage occurs.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized, that the modulation of the ionization voltage with a frequency that is many times is higher than a frequency at which a scan a sample with the ion beam.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized, that the modulation of the ionization voltage with a frequency that is a safe ignition guaranteed the ion source.

7. Device for regulating the ion current of an ion accelerator, which has an ion source ( 1 )
a first device ( 15 ) for generating a filament current, and a second device ( 16 ) for generating and applying an ionization voltage,
with a measuring device for detecting an actual value of a quantity corresponding to the ion current;
and a control device ( 21 , 22 , 24 , 25 ) which compares the actual value with a predeterminable setpoint of the size corresponding to the ion current and controls the ion source to achieve the setpoint, the control device comprising a modulation device ( 24 , 25 ) which determines the ionization voltage modulated depending on the result of the comparison between the actual value and the setpoint,
characterized in that the modulation device has a pulse width modulator ( 24 ) for generating a pulse width modulated signal, the pulse duty factor of which varies depending on the difference between the setpoint and actual value, and has a switching element ( 25 ) with which the application of the ionization voltage for generation the modulation is repeatedly interrupted with this duty cycle.

8. The device according to claim 7, characterized in that the control device comprises a control ( 22 ), the value of a difference between the setpoint and the actual value when reaching a predetermined limit or when exceeding or falling below a predetermined limit of the pulse duty factor modulated signal controls the first device ( 15 ) for regulating the height of the filament flow.

9. Device according to one of claims 7 or 8, characterized in that a rollover detector ( 27 ) is further provided, which briefly lowers the filament flow in order to eliminate the rollover in the event of a discharge flashover in the ion source ( 1 ).